传感器题库与参考答案-20120430

1、传感器与检测技术课程复习题库第一章 传感器的基本概念 （P1-16)1、什么叫传感器？它由哪几部分组成？它们的作用及相互关系如何？P12（P16习题1）答：传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检测功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的有用输出信号的元器件或装置。传感器由敏感元件、转换元件和其他辅助部件组成。敏感元件是指传感器中能直接感受（或响应）与被检出被测对象的待测信息（非电量）的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件所感受（或响应）出的信息直接转换成电信号的部分；信号调节电路是能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路；辅助电路通常

2、包括电源，即交、直流供电系统。但并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件，如果敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件。加附图1-1。2、什么叫做传感的静态特性？（笔记）答：传感的静态特性是传感器在静态信号的作用下所表现出来的特性。主要体现在如下几个方面：（1）线性度。就是指传感器的输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度。（2）灵敏度。是指传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值。（3）重复性。表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得其输出特性曲线不一致性的程度。（4）迟滞现象。表明传感器在正向行程和反向行程期间，输出输入特性曲线不重合的程度。（5）分辨率。是在规

3、定测量范围内所能检测输入量的最小变化量。（6）稳定性。（7）漂移。是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。3、什么叫传感器的动态特性？（笔记）传感器在动态信号的作用下所表现出来的特性。4、传感器的静态特性有哪些性能指标？它们各自公式是什么？(P10-12、P16习题3）答：线性度：灵敏度：重复性：迟滞现象：分辨率：传感器的分辨率是在规定测量范围内所能检测输入量的最小变化量，有时也用该值相对满量程输入值的百分数表示。以及稳定性和漂移。5、传感器数学模型的一般描述方法有哪些？（P16习题5）答：传感器数学模型可分为静态和动态数学模型。其中，传感器静态数学模型一般多用多项式来描述

4、，而动态数学模型通常采用微分方程和传递函数等来描述。第2章 电阻式传感器 (P17-37)1、何为线绕式电位器的阶梯特性？（P18-19)答：电刷在变阻器的线圈上移动时，电位器的阻值随电刷从一圈移动到另一圈是不连续变化的，故输出电压Uo也不连续变化，而是阶梯式地变化。每一次电压解压将产生一次小阶跃，小阶跃电压U即为线绕式电位器实际输出特性，工程上将其理想化为阶梯状特性曲线，这就是线绕式电位器的阶梯特性。2、何谓线绕式电位器的电压分辨率及行程分辨率？（P19）答：线绕电位器的电压分辨率是指在电刷行程内电位计输出电压阶梯的最大值与最大输出电压之比的百分数。从电位器的电刷行程来说，又有行程分辨率，即

5、是电位计输出行程阶梯的最大值与最大值输出行程之比的百分数。3、叙述P21 图2-7 光电式电位器的工作原理。（P21）答：如图2-7，光电电位器的结构原理是在基体（氧化铝）上沉淀一层硫化镉（CdS）或硒化镉（CdSe）光电导层，然后在基体上沉淀一条金属导电条作导电电极，并在光电导层1之下沉积一条薄膜电阻3，并使电阻带和导电电极5之间形成以间隙，当电刷的窄光束4照射在此间隙上时，就相当于把电阻带和导电电极接通，在外电源E的作用下，负载电阻上便有电压输出；而在无光束照射时，因其暗电阻极大，可视为电阻带与导电电极之间的断路，这样输出的电压随着光束位置的移动而变化。4、 什么叫应变效应？（P21）答：

6、导体或半导体材料在受到外界力（拉力或压力）作用时，产生形变，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为“应变效应”。5.什么叫做金属丝绕式应变片的灵敏度系数？P22其物理意义是什么？P23金属丝绕式应变片的灵敏度系数是指：单位应变所能引起的电阻相对变化即Ks。物理意义是：单位应变所引起的电阻相对变化。6. 什么叫做压阻效应？P24 其应变片的灵敏系数是什么？P24压阻效应：半导体材料在受到外力作用时，其电阻率发生显著变化的现象。应变片的灵敏系数7. 金属电阻应变片测量外力的原理是什么?（授课PPT）金属电阻应变片测量外力的原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外界力（拉

7、力或压力）作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化。外力正比于应力，应力正比于应变，应变正比于电阻的变化，电阻的变化正比于测量电路的输出电压。因而，可通过测量电路的输出电压指示外力的大小。8. 应变片测量电桥的非线性误差的计算方法P27(P37习题3） 解：非线性误差的计算9. 在应变片的测量电路中，单臂、半桥、全桥3种电路的输出电压及灵敏度有何关系？P26至P281. 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供桥电压愈高，电桥电压灵敏度愈高。2. 供桥电压确定之后，当R1=R2,R3=R4时，电桥的电压灵敏度最高。3. 当电源电压E和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与桥

8、臂阻值大小无关。单臂、半桥、全桥3种电路的输出电压的倍数关系？单臂、半桥、全桥3种电路的灵敏度的倍数关系？10. P37 1.线绕电位器的负载特性在什么情况下才呈现线性特性？为什么？ 答：当电位器的负载0时，负载特性的一般形式为Y=(1+/-/)当=/,即时，Yr,与X才满足线性关系，即线绕电位器式传感器的负载特性为线性。第三章 电容式传感器P38至571. 电容式传感器可分为哪三大类型呢？P38至41答：电容式传感器可分为:1.变极距型电容式传感器 2.变极板面积型电容式传感器 3.变介质型电容式传感器。2. 差动变极距电容式传感器有哪些优点？P43至44 差动变极距电容式传感器的非线性误差

9、r比单一电容传感器的非线性误差r1大大地降低，灵敏度也比单一的电容传感器提高一倍，同时还能减小静电引力给测量带来的影响，能有效地改善由于温度等环境影响带来的误差。3.画出电容式传感器的等效电路图，并说明等效电路中各元件的作用。P44等效电路中各元件的作用:Rp为并联损耗电阻，它代表板极间泄漏电阻和介质损耗；Rs代表串联损耗，即引线电阻，电容支架和极板的电阻；电感L由电容器本身的电感和外部引线电感组成。传感器的有效电容Ce与传感器的固有电感L和角频率W有关。（图画不了）4.叙述电容式传感器的运输放大器式电路的作用与特点。P47由于运算放大器的放大倍数K非常大，而且输入阻抗很高，运算放大器的这一特

10、点可以作为电容传感器的比较理想的测量电路。运算放大器的输出电压与动极板机械位移成线性关系，运算放大器电路解决了单个变极板距离式电容传感器的非线性问题。由于实际使用的运算放大器的放大倍数和输入阻抗总是一个有限值，所以，该测量电路仍然存在一定的非线性误差；当放大倍数，输入阻抗足够大时，这种误差是相当小的，可以使测量误差在要求范围之内，因此这种电路仍不失其特点。5.分析脉冲宽度调制电路的工作过程及特点，并画出A、B、C、D点的电压及、的波形图。P48至50 答：1）工作过程：设传感器为差动电容C1和C2，T=0-T=0+50%.50%.当双稳态触发器处于某一状态，如Q=1，非Q=0，A点的高电位通过

11、R1对C1充电，直至C点充电电位高于参比电位Ur时，比较器A1输出正跳变信号，此时，因非Q=0，B点为低（零）电位，电容器C2上已充电流，通过R2而放电，比较器A2的“-”端电位高于“+”端，比较器输出负跳变，激励触发器翻转，使非Q=1，Q=0,于是，B点为高电位，对C2充电：A点为低电位，C1放电，当比较器A1的“+”端电位低于A1“-”端参比电压Ur时同，产生触发脉冲使触发器翻转，如此交替激励，触发器两端输出极性相反、宽度取决于C1和C2的脉冲。 2）特点：1、不像调幅线路那样，需对元件提出线性要求： 2、效率高，信号只要经过低通滤波器就有较大的直流输出； 3、不需要解调器： 4、由于低通

12、滤波器的作用，对输出矩形波纯度要求不高； 5、电路结构基本上下对称 6：周期性工作。6. 计算P41图3-7变介质电容式传感器的总电容，并说明该传感器的工作原理P41?第四章电感式传感器1、叙述变磁阻式传感器的结构与工作原理？答：它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成铁芯和衔铁都由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成。在铁芯和活动衔铁之间有气隙，气隙厚度为。传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度发生变化，从而使磁路中磁阻变化，导致电感线圈的电感值变化，这样可以判别被测位移的大小。2、差动自感传感器有何优缺点？答：优点：差动式电感传感器的非线性在+-工作范围内要比单感传感器小很多其灵敏度比单个线圈

13、的传感器提高一倍。缺点：也具有一定的非线性误差3、叙述互感式传感器的结构和工作原理答：它由初级线圈P、两个次级线圈S1/、S2和插入线圈中央的圆柱形铁芯B组成，结构形式又有三段式和两段式等之分。次级线圈S1/、S2反极性串联。当初级线圈P加上某一频率的正弦交流电压U1后，次级线圈产生感应电压为U1和U2，它们的大小与铁芯在线圈内的位置有关。U1和U2反极性连接便得到输出电压U0。当铁芯位于线圈中心位置时，则U1=U2，U0=0当铁芯向上移动时，则U1>U2，U0>0,M1大，M2小当铁芯向下移动时，则U1<U2，U0>0,M1小，M2大。当铁芯偏移中心位置时，则输出电压

14、U0随铁芯偏移中心位置程度，使U1或U2逐渐增大，当相位相差180。4、何谓差动变压器的零点残余电压？零点电压产生的原因是什么？答：实际上，铁芯位于中心位置，输出电压并不为零，而是U0，U0被称为零点残余电压。产生的原因有很多，不外乎是变压器的制作工艺和导磁体安装等问题，U0一般在几十毫安以下。5、如何从输出量辨别差动变压器中铁芯的移动方向？答：实际测量中，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。差动整流电路是把差动变压器的两个次级电压分别整流，然后将它们整流的电压或电流值作为输出。无论两个次级线圈的输出瞬时电压如何，流经两个电阻R的电流总是从a到b,从c到d，故整流电路的输出电压为U0=Uab-

15、Udc。当铁芯在中间位置时，U0=0，铁芯在零位以上或以下时，输出电压的极性相反，于是零点残余电压会自动抵消。相敏检波电路可以由流过电表的平均电流的大小和方向来判别差动变压器的位移大小和方向。6、叙述电涡流式传感器的结构与工作原理。答：结构有金属板和电感线圈组成，工作原理是当通有一定交变电流的电感线圈L靠近金属导体时，在金属周围产生交变磁场，在金属表面将产生电涡流I1，根据电磁感应理论电涡流也将形成一个方向相反的磁场。在金属导体表面感应的涡流锁产生的电磁场又反作用于线圈L上，力图改变线圈电感量的大小，其变化程度与线圈L的尺寸大小，距离x和密度，ur有关。结构图7、电涡流式传感器为何称为电感式传

16、感器？答：因为电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量转换成线圈的自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。而由电涡流式传感器的等效电路，根据克希霍夫定律可列出如下方程：，解得当线圈与被测金属体靠近时的线圈的等效阻抗:，由此式看到，电涡流式传感器等效电路参数均是互感觉系数M和电感L、的函数，故把这类传感器归为电感式传感器。8、电涡流式的渗透深度与传感器线圈的激励信号频率的关系如何据此传感器可分为哪两类涡流传感器？答：根据传感器的端部的线圈通以交变电压的频率范围为（一般为1MHz2MHz）、产生的磁通能否通过导板的厚度（即集肤效应）及其结构可

17、分为高频反射式和低频透射式传感器两类。9、举出电涡流传感器在机械方面应用的3个实例。答：（1）位移测量：当被测材料中的电阻率P、导磁率U、激磁频率f确定后，等效阻抗Z只与被测件间的距离x有关，通过适当的测量电路，可以得到输出电压与距离x的关系。第六章？第七章1、光电效应包括哪几种效应？各效应对应的物理器件有哪些？P131 答：光电效应包括外光电效应和内光电效应；内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应光电外光电效应对应的物理器件是光电管和光电倍增管；内光电效应器件：光敏电阻、光电池和光敏二极管和光敏三极管。2、叙述光电管的工作原理与过程？P131135 答：工作原理：在光线作用下，物质（光电材

18、料）内的电子逸出物质表面向外发射。 过程：光电管有真空光电管和充气光电管两类。两者结构相似，它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只玻璃管内。阴极装在管内壁上，其上涂有光电发射材料，阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。当光照在阴极上时，中央阳极可以收集从阴极上逸出的电子，在外电场作用下形成电流I，。其中，充气光电管内充有少量的惰性气体如氩或氖，当充气光电管的阴极被光照射后，光电子在飞向阳极的途中，和气体的原子发生碰撞而使气体电离，从而增大了光电流。结构图3、叙述光电倍增管的工作原理与过程？P135137 答：光电倍增管除光电阴极外，还有若干倍增电极。使用时各个倍增电极上增电

19、极上均加上电压。阴极电位最低，从阴极开始，各个倍增电极依次升高，阳极电位最高。同时这些倍增电极用次级发射材料制成，这种材料在具有一定能量的电子轰击下，能够产生更多的“次级电子”。由于相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场，对电子加速。从阴极发出的光电子，在电场的加速下，打到第一个倍增电极上，引起二次电子发射。每个电子能从这个培增电极上打出36倍次级电子；被打出来的次级电子再经过电场的加速后，打在第二个倍增电极上，电子数又增加36倍，如此不断倍增，阳极最后收集到的电子数将达到阴极发射电子数的105_108倍。即光电倍增管的放大倍数可达到几万倍到几亿倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几

20、万倍以上。结构图4、何谓光电管的暗电流？P137 答：一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使用，使其只对入射光起作用；但是由于环境温度、热辐射和其他因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流。5、光电阻的暗电阻、亮电阻分别是何含义？P138 文珍答：暗电阻：光敏电阻在未受到光照射时的阻值称为暗电阻;     亮电阻：光敏电阻在受到光照射时的电阻称为亮电阻。第八章1、什么叫做霍尔效应？P195 答：一块半导体薄片，其长度为L，宽度为b，厚度为d，当它被置于磁感应强度为B的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势,即=IB,其中为霍尔元件的灵敏度。这一现